CN1051369C - 循环流化床反应器 - Google Patents

Abstract

循环流态化床反应器包括一个装有流态化栅格(11)、一次和二次空气注入装置(12、13)和燃料进给装置(10)、一个上部区域(2)，位于下部区域(3)顶部的内沸腾床(22、23)，收集来自反应器内封闭循环的固态物质，并把一部分固态物质送往与反应器壁紧密连接的外部沸腾床热交换器，与内沸腾床(22，23)保持水平，外部热交换器，在与外部流体热交换后把固态物质放回下部区域(3)。这种反应器结构简单，在保持下部区域(3)常规设计的同时，因内沸腾床的优点而获益。

Description

循环流化床反应器

现今循环流化床反应器通常均用于容量愈来愈大的矿物燃料电站。目前运行中最大容量为150兆瓦电力(MWe)。

循环流化床有三种类型，其差别在于反应器温度调节的方式。而这一温度则应在接近850℃的某一点上保持恒定，以确保烟气有效脱硫：

第一种反应器的特点是在反应器的内部装有平板式热交换器。(METALL-GESELLSCHAFT的法国专利No.2323101号)。而为了保持前述的温度，它调节一次和二次气流的流率改变固态物质密度，或者以一个变化的速率使燃烧的气体再循环。然而当装置的功率增加，就必须扩展所说的平面热交换器的安装。使之进一步进入反应器的内部，因此相应地增大了受腐蚀的风险；

第二种反应器的特点是在其外部循环管线上配置有多个外部热交换器设在反应器的出口处为了用分离器收集反应器出口处的固态物质(METALLGESELLSCHAFT的法国专利，No.235332号)。这些外部热交换器，安装在距反应器某一距离上。这样，在旋风除尘分离器与外部热交换器之间，以及在外部热交换器与反应器之间，就要求有一个连接的管道网，以及必须的斜度和膨胀接头，当一个反应器的功率增加时，一般来说，反应器管壁的换热能力并不按比例增加，这是由于反应器高度的限制，随着热交换器的数量和尺寸增加外部热交换器的功率提高得更快，由此使得安装更加困难，或者甚至是不可能。这被认为是目前使用这一技术在电力上的一个极限。

而第三种类型的反应器为STEIN INDUSTRIE在其欧洲专利申请No.91401041.8中所描述的，其特点是，反应器内流态化气体在通过安装于反应器内某一中等高度的沸腾床时速度降低；这一速度降低，是由于反应器横截面有大的数量上的变化(其比率在1.2至2.0之间)，其目的在于通过增加再循环到反应器下部的固态物质量来改进燃烧；由于在上述内沸腾床中有一个热交换器，这第三种反应器，与第一种循环流化床的内部平板换热器相比，或者与第二种循环流化床的外部热交换器相比，可以降低热交换器的功率；然而，在高功率机组中，它(第三种反应器)并不能把它们(这些热交换器)省掉。

本发明是有关一种循环流化床的反应器，它包括一个处于循环流化床状态下的下部区域，并装有一个流态化栅格，位于栅格下的一次空气注入装置，置于栅格之上的二次空气注入装置，反应器壁，该壁包围上述设置有冷却管道的下部区域，一个在循环流化床条件下运行并被设有冷却管道的反应器壁包围的上部区域，输送燃料进入下部区域的装置，至少有一个外部热交换器，该热交换器紧靠反应器壁安装并与之紧密连接、含一个沸腾床。这个沸腾床由来自反应器的固态物质供料，并在与外部需要加热的流体热交换后把所述的固态物质送到下部区域。

欧洲专利EP-A-444926号中，对于一个热交换器和它所附属的反应器紧密连接的设置情况作了描述，这种情况正好是和第二种反应器的一种变型。

在这种变型的反应器中，外部热交换器通过一种虹吸弯管来供料，在虹吸管前面配置了旋风除尘器，它把来自反应器上部区域顶端的固体物质分离出来。外部热交换器置于旋风除尘器的下面，而虹吸弯管则固定到下部区域的底部。这就产生了阻碍二次空气经反应器的主壁之一注入的缺点，从而限制了反应器前、后壁之间的距离，必然在给定的后壁长度下限制了其功率。

本发明的反应器没有这样的缺点，它的特点在于，它至少含有一个内部的沸腾床，装在下部区域的顶部，装反应器的一面或多面壁上，用来首先收集沿上部区域壁下落的固态物质，其次收集由于通过内部沸腾床面速度减小的流态化气体中的固态物质。上部区域右边横截面积除以含有内床的下部区域右边横截面积的比值在1.05至2之间，同时，这类反应器的特点还在于，一个或多个外部热交换器配置在二次空气入口的上方，用来给内部沸腾床的固态物质供料，来自上述沸腾床的固态物质溢流落入下部区域。

此外，通过设计，本发明的反应器的高度很容易加以限制。

现在参照附图所示的一个特殊的实施例，只作为非限定的举例对本发明进行更详细的描述，附图中：

图1为本发明一个反应器的示意的正视图。

图2为图1反应器的示意的平面图。

图3为图1反应器的示意的侧视图。

图4为图1反应器沿图2IV-IV截面的示意的纵向视图。

图5为图1反应器沿图2V-V截面的一个示意的局部放大图。

图6为图1反应器沿图2VI-VI截面的另一个示意的局部纵向视图。

图7A、7B、7C为表示本发明反应器的一种改型方案示意图，分别示出侧面图、平面图和正面图。

图8A、8B、8C为表示本发明反应器的第二种改型方案的示意图。

图9A、9B、9C为表示本发明反应器的第三种改型方案的示意图。

图10为适用于高功率的本发明反应器的改型方案的正面示意图，它包含的下部区域已被分成两个部分。

图11为图10反应器的示意的平面图。

图12为图10反应器的示意的侧视图。

图13为图10反应器的一个放大的局部示意图。

图14是一座装置的水-蒸汽示意图，图10反应器即构成该装置的一部分。

图1至图6示出本发明的用于燃烧矿石燃料的循环流化床反应器，首先，它以普通方式包括：

一个管状封套1分成两个区域：上部区域2，在其内管子4明显可见，它们用来冷却固体物质和气体，下部区域3中的管子4，则被耐火材料5所覆盖以防止管子腐蚀；

位于上部区域2的一根管道6，用于将充满固体物质的气体导向旋风除尘器7，并在其中发生分离，收集起来的固体物质用管路9在通过虹吸管8之后循环送至反应器的下部区域3；

一个或多个燃料入口10；

一个流态化栅格11，一次空气由进气口12通过栅格注入；

在反应器的下部区域3内，在一个或多个不同高度上，有许多二次空气入口13；

被旋风除尘器7收集的气体，通过装在封套14内的热回收交换器；

空气预热器15，粉尘过滤器16以及烟囱17。

本发明反应器的新颖特点在于其外部的热交换器，它们参与对在气体中的运动的流态化的固体物质的冷却，并在下述条件下运行：

a)通过这些外部热交换器18，19，20和21的固态物质，是从反应器中等高度及在下部区域顶端的内部再循环收集的，而不是来自安装在反应器出口的分离器7得到的固态物质的外部再循环。

b)正如图4所示，两个内部沸腾床22和23安装在下部区域3的顶端，目的在于吸收来自反应器的中等高度的固态物质，因而把反应器分为两个部分：截面为S的上部区域2，和截面有变化的下部区域3，其最大截面S′正是在内部沸腾床22和23的高度水平上，S′小于截面S。收集到的固态物质的数量取决于两个因素；

——内部沸腾床22，23安装倚靠的壁的长度，即在图1，2，3和4中所示例子的侧壁24和25的长度，以及

——与反应器截面S′/S比率相对应的流态化气体速度迅速降低，循环流态率中，在这两个截面S和S′的流态化气体速度总是在2.5米/秒到12米/秒范围内。内部沸腾床22和23的高度26，27由固态物质溢流和沿内沸腾床22，23的内壁28，29的全部长度向反应器底部区域3坠落来自然调节(见图2)。它们通常装有流态栅格30和31，及流态化气体供气管32，33。

c)为了用内沸腾床22和23供给固态物质，在靠近反应器的前壁和后壁34和35安装有四个外部热交换器，它们也就是沸腾床18，19，20和21(见图2)。它们装配了流态化栅格36，37，和流态化空气供气管38，39。固态物质通过外部热交换器的高度40和41也是在接近外部热交换器20和21或热交换器18和19之间的垂直面处42，43，44和45由固态物质的溢流和向反应器下部区域3坠落来调节，同时该高度低于内沸腾床的高度26和27，以保证固态物质在内部沸腾床22和23，外部热交换器18，19，20和21，以及反应器下部区域3之间流动。图5和图6示出了内部沸腾床22，外部热交换器18和反应器内部的相对位置。

——内部沸腾床22通过其上部与反应器内部连通，该上部承接自反应器上部区域2降落的固态物质，同时它也靠溢流向下部区域3沿溢流壁28的全部长度上返回部分固态物质。

——靠近反应器的后壁35安装的外部热交换器18，除窗口42外被后壁与反应器完全隔开，窗口底部的高度40调节外部热交换器中沸腾床的高度；热交换器18运行中所需的固态物质通过管道46来自内沸腾床22，并经过窗口42的底部溢流返回到反应器的下部区域3。窗口42横截面尺寸的确定，也是为了保证通过外部热交换器18的送风量。在外部热交换器中可以看到热交换管50(图6)，它提供了对反应器的部分冷却。固态物质在内沸腾床和外部热交换器之间循环所需的驱动力，是这两个沸腾床22和23的高度26与40之间的差H(图5与图6)；固态物质由内沸腾床22向外部热交换器18的流动，经过装有机械调节装置(针形阀类型)的，或有空气注入口的流态化管道46，在后一种情况时固态物质流受注入的空气量控制。流态化管道46可以在两个沸腾床以外形成回路或者也可以利用通过上述两个沸腾床共有的分隔壁的开孔。

——在内沸腾床22，外部热交换器20，和反应器内部之间的相对配置，或在内沸腾床23，外部热交换器19或21和反应器内部的相对配置也是相同的，且外部热交换器19，20和21，通过管道47，48和49，由内沸腾床22和23供给固态物质。

d)确定内沸腾床22和23的尺寸，要考虑下面几个参数：

——它们的宽度对应反应器内两部分的横截面S/S′选定的比率；这个比率是固定的，因此使落入内沸腾床22和23的固态物质流，要大于在外部热交换器18，19，20和21的要使用的固态物质流。在这样的条件下，总有一定的固态物质流，通过自内沸腾床22和23并沿壁28和29落向反应器下部区域3。本发明反应器的S/S′这一比率在1.05到2之间。

——它们的高度，是作为附属的外部热交换器18，19，20和21正常运行所需固态物质流的函数计算而得，同时它也是内沸腾床22和23顶部高度与外部热交换器沸腾床顶部高度之间的差H的一个函数。

——内沸腾床22和23的流态化气体应该是惰性的，因为这些沸腾床并不包括任何的热交换器，并且必须避免任何碳燃烧的风险，因为，如果那样的话会引起堆积，从而使流态化气体为来自粉尘过滤器16出口的燃烧气体，并相应只有极少量的再循环气体。

e)外部热交换器18，19，20和21装设于反应器前、后壁34和35上。它的尺寸是作为保证反应器在某一给定温度下，(一般为获得可能的最佳脱硫效果而选定温度为850℃)运行所需的热交换量的函数而确定的。其结果是，这些外部热交换器18，19，20和21的宽与高均比内沸腾床22和23要大很多。

这样，以上描述的反应器最终装有两类冷却表面：

在反应器上部区域2中管道壁处的热交换，是固态物质密度的一个函数，而它又是理想的燃烧参数(一次和二次空气流率)的结果，这样它就不受单独的调节，并且

这四个附属的外部热交换器18，19，20和21，它们的热交换量靠作用于经流态化管道46，27，48和49供给的固态物质的流率，可单独地调节，这样使反应器在所有载荷下工作温度的调节成为可能，同时也可以有选择地用一个或两个外部流体来调节平行的热交换。

还应注意到，图1到图6所示的内沸腾床22和23的布置，以及外部热交换器18，19，20和21的布置都可以改变。图7，8和9示出其他一些影响这些装置的数目和相对布置情况的非限定的例子。

图7中，内沸腾床22和23，以及外部热交换器18，19，20和21都设在同样的壁上；图8中，外部热交换器18和19则共装在一个侧壁上，而内沸腾床22和23则继续装在前壁和后壁上；图9中，仅有一个外部热交换器18装在一个侧壁上，还有一个内沸腾床20装在前壁上。

本发明新型循环流化床反应器的主要优点是，由于它们的连接的简化，使之有可能在一定的高度上安装外部热交换器18，19，20和21，以使反应器的下部区域3与上述外部热交换器18，19，20和21以及它们与反应器的连接脱开，从而使之完全可以用来作为设计和安装(一次和二次)空气回路，这些回路与燃烧和来自安装在反应器出口的旋风除尘器7的固态物质返回有关。这一特点，正如以下例子所显示的那样，使得外推到高的功率成为可能。

图10，11，12和13展示一种高功率的循环流化床反应器(300兆瓦电力-MWe)。

热交换器的功率约为750兆瓦(MW)，包括450兆瓦热交换量，其中与反应器内管道壁的热交换(125兆瓦)的以及与外热交换器的热交换(325兆瓦)，和与位于封套14中的热交换器和空气加热器15的热交换300兆瓦。

下部区域3分为3A和3B两个部分，从而使侧壁24和25之间的宽度也一分为二。宽度对于达到好的燃烧所必需的二次空气流13穿透是一限制因素。

一次空气回路12，二次空气回路13以及来自旋风除尘器7的固态物质回路9，均以较佳的方式，用按上文有关各段中叙述的，即关于安装在反应器左右两边侧壁24和25上的内沸腾床22和23，和附装于反应器外边前壁与后壁34和35上并由流态化管路46，47，48和49输送固态物质的四个外部热交换器18，19，20和21等的叙述的一种装置设置在3A和3B的底部。

四个热交换器18，19，20和21中的每一个都用相应的中间隔板50，51，52和53分隔为二，隔板顶部敞开，以使固态物质靠溢流输送到下游部分。

这样，正如图11和13所示，热交换器18分隔为二部分18A和18B，一部分18A由内沸腾床22通过管道46供料，而另一部分18B则靠流过竖隔板50的溢流供料，该隔板顶边缘的高度与高度40A一致(见图13)，随着固态物质经过窗口42落入反应器3A的底部，窗口42底部的高度40B决定了流化床在热交换器中的18B部分的高度。

内沸腾床22和23装配流态化栅格30和31，经过栅格30和31，用装置32和33鼓进惰性的流态化气体。外部热交换器，如18A，18B和20A，20B则装有流态化栅格，如36A，36B，37A和37B等，用38A，38B，39A和39B装置鼓入的流态化空气通过它们。

作为一个实例，图14给出了这台300兆瓦循环流化床反应器用于一台临界蒸汽矿石燃料电站的水——蒸汽图，其中：

——涡轮室包括一台三级涡轮机，它有一个高压级(HP)、一个中压级(MP)和一个低压级(LP)，一台冷凝器C接收来自低压级的低压蒸汽，一台抽水泵E，低压水加热器(LPH)接收E抽取的水，一台油气分离器D，一台给水泵FP，和高压加热器HPH。

——循环流化床锅炉包括一台预热器55，由高压加热器HPH供水，两台蒸汽蒸发器56和57平行运转，一台低温过热器58，一台中温过热器59，和一台高温过热器60，连同一台低温再热器61和一台高温再热器62。高温过热器60输送高压蒸汽到高压级HP；高压级把蒸汽送回再热器61和62，再热器把中压蒸汽输送到中压级MP。

图10示出蒸发器56的位置，它由图1中所示的管子4构成，排列紧靠在反应器内壁上，而高温过热器60，低温再热器61和预热器55的位置，均在封套14内。

图11示出附设在反应器中间高度上的外部热交换器18，19，20和21的各装置的配置情况：中温过热器59和蒸发器57分别设置在外部热交换器20A和21A和20B及21B内，而高温再热器62和低温过热器58则分别设置于外部热交换器18A及19A和18B及19B内。

外部热交换器20和21中固态物质和蒸汽之间的热交换起到控制反应器温度的作用，比如控制到850℃。外部热交换器18和19中固态物质和蒸汽之间的热交换，起着控制再热蒸汽温度到某一选定的参考值的作用，比如565℃。

图10清楚地显示，反应器的整个下部区域，分隔成两个部分，它们中每一个部分都可以配装其自有的燃烧回路，而不因外部热交换受到任何限制，特别是，它们中的每一个，可以在其八面壁上配置两个或更多高度的二次空气，和在其侧壁上配装由四个旋风除尘器返回的管线。

因而每一个下部区域3A和3B也相应一个具有150兆瓦功率的循环流化床反应器。

以上例子相应于一台功率300兆瓦反应器，本发明的一台反应器可以移植，得到功率可以大于600兆瓦电力，例如通过加长两个侧壁的长度，增加热交换器前、后壁的表面积等来达到。

Claims (1)

1.一循环流化床反应器，包括一个处于循环流化床条件、并装配有流态化栅格(11)的下部区域(3)、位于栅格(11)下的一次空气注入装置(12)，位于栅格(11)上的二次空气的注入装置(13)，反应器壁，该壁包围上述设置有冷却管道(4)的下部区域，一个在循环流化床条件下运行的，并被设有冷却管道(4)的反应器壁围绕成的上部区域(2)，输送燃料进入下部区域(3)的装置(10)，至少一个外部热交换器(18，19，20，21)，该外部热交换器包含一个紧靠反应器(1)壁设置的沸腾床，所述沸腾床由来自反应器的固态物质供料，并在与外部流体热交换加热后，把所述固态物质送入下部区域(3)，本反应器的特征在于，它包含一个或多个内沸腾床(22，23)，它们安装在下部区域(3)顶部的反应器(1)的一面或多面壁上以便首先收集沿上部区域(2)的壁下落的固态物质，以及其次收集在流态化气体通过内沸腾床(22，23)速度降低而留下的固态物质，上部区域(2)右截面(S)除以由内沸腾床(22，23)的高度确定的下部区域(3)的右截面(S′)的比率S/S′在1.05到2的范围之内，并且，外部热交换器(18，19，20和21)设置在二次空气入口(13)和回收管(9)的上方，并由来自内沸腾床(22，23)的固态物质供料，固态物质自所述沸腾床(22，23)的溢流坠落到下部区域(3)。

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